交流異步電動機調速系統控制策略綜述

袁淑梅（京能（赤峰）能源發展有限公司,內蒙古 赤峰 024000）

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交流異步電動機調速系統控制策略綜述

袁淑梅
（京能（赤峰）能源發展有限公司,內蒙古 赤峰 024000）

摘 要：交流異步電動機調速相比直流電動機實現更加困難，本文通過建立交流異步電動機的數學模型，總結以前的基于異步電機穩態模型的控制策略，介紹3種異步電動機變壓變頻（VVVF）調速系統的控制策略。將現代控制理論應用在交流異步電動機調速系統中。現代控制策略和先進控制算法在交流異步電動機調速系統中將會發揮越來越大的作用。

關鍵詞：異步電動機；變壓變頻調速；控制策略

1 前言

交流異步電動機調速工具包括轉差離合器調速、串電阻調速、降壓調速、串級調速、雙饋電動機調速、變極對數以及變壓變頻調速等．這里面，唯一能夠實現較寬的調速范圍、高效率和良好的動態性能的是變壓變頻調速，變壓變頻調速系統一般叫做變頻調速系統，當應用變壓變頻調速時轉差功率圍繞轉速變動，而且通過技術改造可以達到高動態性能，性能比肩直流調速系統．變壓變頻調速技術發展過程中，也出現了不少有特點的應用，而且伴隨著現代控制理論的引進，變壓變頻調速控制技術發展到了一個新的水平，這篇文章將對異步電動機的變壓變頻調速控制技術做細致的討論及分析。

2 有關穩態模型的控制方法

調速的核心目標是調節電磁轉矩，之前的交流調速系統是根據異步電動機的T型等效電路構建電磁轉矩的穩態數學模型，無法達到電磁轉矩的高效控制，從而不能實現很好的動態性能，可是由于系統結構簡單，在那些如風機和水泵等不要求高動態性能的工業應用得到廣泛使用。

（1）轉速開環恒壓頻比調節。轉速開環、恒壓頻比調節的關鍵是調整電壓及頻率，在確保氣隙磁通量不變的基礎上，利用調節異步電動機的同步轉速來實現調速的結果［1］。轉速開環、恒壓頻比調節由于不能調節電磁轉矩，動態性能不好，調速范圍較窄。

（2）轉速閉環、轉差頻率調節。在轉速開環、恒壓頻比的前提下達到轉速閉環控制，當處于穩態時，當電壓頻率迅速提高時，電機轉速不能立即提高，所以轉差頻率提高，電磁轉矩提高，電機轉速增加，這也是轉速閉環、轉差頻率調節的基本原理．它可以對電磁轉矩進行調節，動靜態性能均優于轉速開環、恒壓頻比調節。

3 根據動態模型的傳統控制的調節

轉速閉環、轉差頻率調節根據異步電動機的穩態轉矩公式和穩態等效電路，只能夠在穩態環境下保持氣隙磁通不變，但是動態性能差．要實現調速系統的高動態調節，可以根據異步電動機的動態數學模型來控制磁通和電磁轉矩．當代最成熟的控制策略是矢量控制以及直接轉矩控制，它根據交流電機動態數學模型，在交流調速應用中已經得到廣泛認可，所以達到了磁鏈和速度的完美解耦調節，反饋線性化解耦調節獲得了迅速發展和推廣。

（1）矢量調節。矢量調節的核心思路是把定子電流分解成勵磁分量和轉矩分量，分別設計調節器，矢量控制系統能夠成功的關鍵是實現轉子磁鏈不變，因此應該檢測轉子磁鏈信號．之前我們嘗試根據磁鏈傳感器來測得轉子磁鏈，可是存在大量工藝和技術上的難題，并且在低速時轉子磁鏈測量獲得的脈動分量太大．在現代的矢量控制中廣泛使用軟測量的工具，根據檢測電壓、電流和轉速信號來基于轉子磁鏈模型得到磁鏈的幅值以及相位。

（2）直接轉矩控調節。矢量控制在理論上達到了磁鏈和轉矩的解耦調節，可是繁復的旋轉坐標變換和轉子磁鏈的檢測困難制約了矢量控制的廣泛使用．Depenbrock創立了直接轉矩控制調節系統，它通過雙位式控制器直接調節電磁轉矩和定子磁鏈，通過控制器輸出從換相表中取得一個恰當的電壓矢量給電機，能夠實現很快的轉矩響應。

（3）反饋線性化解耦調節。矢量控制和直接轉矩調節都必須維持磁鏈不變，不然會有非線性耦合，反饋線性化解耦調節能夠在磁鏈變化的基礎上完成轉速和磁鏈的準確動態解耦。它根據非線性狀態反饋和非線性變換實現系統的動態解耦和全局線性化，包括微分幾何反饋線性化以及直接反饋線性化。

4 交流異步電動機調速系統現代化控制調節方法

（1）滑模變結構調節。變結構調節的一種控制方法就是滑模變結構調節，它的核心觀點是使用不連續的控制方法讓系統依據期望的相軌跡變化．滑模變結構調節結合矢量調節和直接轉矩調節在交流調速系統中得到了廣泛采用。

（2）自適應調節。異步電動機的數學模型已經很清晰，但有些參數例如定轉子電阻和電感與電機的工作情況關系密切，但是矢量調節和直接轉矩調節的動態性能受參數變動影響很大，因此自適應調節在交流調速系統的使用中得到密切關注。自適應控制調節在交流調速系統中的應用有模型參考自適應調節和自適應觀測器．

（3）模糊調節。模糊控調節理論可以用于設計參數辨識器和模糊控制器。在矢量調節系統中，轉速和電流控制器都能夠設計成模糊控制器，能夠提升系統對電機參數變化和負載擾動的抑制水平，模糊調節在直接轉矩調節系統中得到更廣泛使用，由于直接轉矩調節定子磁鏈的測量關乎定子電阻，在低速情況下定子電阻的變動對定子磁鏈影響較大，使用模糊辨識器能夠達到對異步電動機定子電阻的估計。

（4）神經網絡調節。人工神經網絡在交流調速控制系統中的應用主要有神經網絡辨識器和神經網絡控制器的設計，需要神經網絡在線校準定、轉子電阻，能夠消除大部分它們對轉子磁鏈和電磁轉矩的干擾［2］，因而獲得相對可靠的轉子磁鏈和電磁轉矩數值。因為轉子磁鏈能夠展現成三相電流和轉速的非線性函數，電磁轉矩能夠用轉子磁鏈和轉速來表達，所以電磁轉矩能夠變成三相電流和轉速的非線性函數．如果使用恰當的神經網絡來逼近這2個非線性函數，就能夠得到轉子磁鏈和電磁轉矩，然后避免了電機參數的影響。

5 結語

異步電動機的交流調速控制系統非常復雜，傳統的控制方法通常依賴準確的電機數學模型，可是因為電機參數變化和不確定性擾動的干擾，精確的電機數學模型無法獲得．現代控制理論在電機模型辨識以及控制調節的理論研究很多，但是還需要在工業應用中有更深入的研究．交流調速控制系統以后的研究方向主要在以下3個方面：

（1）如何根據現代控制理論獲得更準確的電機模型；

（2）如何根據傳統控制策略，使用非線性控制器和智能控制器來提高交流調速系統的性能；

（3）如何掙脫數學模型的復雜運算，利用神經網絡實現電機的智能調節。

參考文獻：

［1］陳伯時．電力拖動自動控制系統［M］.北京：機械工業出版社,2005：160-163.

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.12.244